电动缸方案设计

电动缸设计方案引言：电动缸是将电机的旋转运动转换成直线运动的一种装置，实现高精度直线运动系 列的全新革命性产品。作为一种由转动变成直线运动的装置，要实现这样的功能，可以有很 多的设计方案，比较简单的齿轮齿条结构和液压、气压系统都能到达设计的目的，方案是多 种多样的，最重要的是设计一个满足功能要求、结构简单、成本低、环保并且管理维护方便 的机器。采用不同的结构有不同的优缺点。随着工厂自动化的要求越来越高，电动缸应用越来越广。电动缸能够把电机 的转到转化为直线运动，是一种高响应、长寿命的执行机构，目前在钢铁企业中 已广泛用于原料码头、原料场、烧结厂、焦化厂、炼铁厂、炼钢厂等工作场所的 卸料、卸煤、卸矿、卸灰、皮带运输机、除尘器种种设备上。和其他采用液压或 气压作为驱动源的系统相比，电动缸直接由电机控制，不再需要油、气等中间媒 介传递动力，可以避免因为漏油、漏气产生系统的误差，导致不准确、使用不方 便，所以电动控制系统比液压系统具有更优越的控制性能，速度更快、承载能力 更高、寿命更长。系统的控制性能不会受环境温度、易污染的液压阀和流体介质 等因素影响。电机和伺服驱动器之间的连线也非常简单，不再需要液压系统中复 杂的油泵、管路、冷却系统以及其他附属设施。与气缸相比，电动缸可以应用在 那些不太适合使用高压空气的场合。与气缸所产生的轴向运动相比，螺纹的使用 使运动有了更高的速度和力矩。在最新的电动伺服系统中，在控制速度、位置和 扭矩时，可以对每个动作进行设定。这个特点使一个简单的“圆柱体”成为一个 真正的自动化系统，具有体积小、性能优、便于维护等优点。电动缸也可以采用 滚珠丝杠技术使系统具有更高的机械刚性、更长的使用寿命、更高的抗冲击能力。 高效坚硬的滚珠丝杆适合做精确定位和长距离往复运动，适合大轴向载荷的往复 运动，并能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。电动缸有着独特的性能特点，相比于液压和气压系统有着明显的优越性。 其优点主要体现在以下几个方面：1. 定位精确。如果采用伺服电机作为驱动机构，伺服控制系统精度非常高，它与 高精度的传动件相配合可以使电动缸的控制精度大大的提高，实现 0.01mm 左右 的精确定位。2. 传动效率高。采用滚珠丝杆副作为传动件实现直线的往复运动，减少运动时的 摩擦，传动效率可达 80%90% ，比液压系统的传动效率高出约 15% 3.运动响应快。 直线运动的速度范围达到 55mm/s ,而液压缸只能达到 35mm/s 4.承载能力范围广。可以实现从几十公斤到上百吨的承载范围5.使用寿命长，如果采用滚珠丝杆等高精度传动件，减少摩擦的同时可以提高电 动缸的使用寿命6.结构紧凑，充分利用空间。电动缸是非标准件产品，可以按照使用的环境充分 考虑空间而设计。7.环境适用能力强。可以在低温、高温、干燥、风雨等恶劣环境下适用，不同液 压和气压系统要充分考虑环境的因素。电动缸的组成 电动缸的结构比较简单，主要包括驱动机构、减速装置、直线传动机构和辅 助机构四大部分。驱动电机类型： 直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等。减速装置 一般齿轮减速、蜗轮蜗杆、行星齿轮轮、谐波减速 直线传动机构梯形丝杆 滚珠丝杆 滚柱丝杆 滑动导轨电动缸分类：电动缸在安装结构上可以分为直线式，折返式和垂直式三类。直线 式是电动缸的电机与丝杆主轴安装位置在同一轴线上，折返式是电机安装位置与 丝杆轴线平行。垂直式是电机轴线与丝杆轴线相垂直电动缸设计问题的提出 电动缸驱动电机类型的选择？他们什么优缺点 选择什么样的减速装置、他们有什么优缺点选择哪种直线传动机构？ 当负载超过设计值时、采用什么过载保护措施？电动缸设计可能方案方案一：同歩带轴承丝杠 滚珠螺母组件图1 EXLAR FT系列电动缸结构简图这是一种行星滚柱丝杠电动缸。由伺服电机输出转矩，经过带轮传动，带 动丝杠的转动，采用了行星滚柱丝杠传动力方式，由螺母组件推动推杆的往复运 动。行星滚柱丝杠这种传动方式是在主螺纹丝杠周围，行星布置安装了6-8 个螺 纹滚柱丝杠，这样将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动，与梯形丝杠、 滚珠丝杠的传动方式有点相近，但不同点则是行星丝杠能够在极其艰苦的工作环 境下承受重载上千个小时，这样就使得行星丝杠成为要求连续工作制应用场合的 理想选择。超承载能力，行星滚柱丝杠为受力多线接触，接触面的增加，承载能 力和刚性将大大提高。相同的负载比较滚珠丝杠节约 1/3的空间图1 行星滚柱丝杠图1中A为丝杠,B为螺母，其牙型为三角形，牙型半角为45度，线数相 同。C为滚柱，单线螺纹。为保证滚柱具有较高的承载能力和刚度，其螺旋面磨 出较大的接触半径图 2。滚柱的螺旋角与螺母相同， 以保证滚柱在螺母内滚动时 无轴向移动二滚柱的两端加工出轮齿 G ， 它与内齿轮 H 相啮合， 确保滚子正常 滚动。滚柱两轴端D装人导向环E内，使滚柱沿圆周均匀分布导向环由弹簧挡 圈 H 定位， J 为油孔。行星滚柱丝杠的特点：1.承载能力及刚度咼由于滚柱加工出较大的接触半径， 且所有的滚柱同时参与工作， 接触面积大， 因此承载能力及刚度比普通滚珠丝杠高。2 速度、加速度高由于采用行星机构控制滚柱运动， 不需要滚动件的循环装置， 所以行星滚柱 丝杠具有较高的移动速度和加速度。移动速度可高达 60m/min ， 角加速度达 7000rad/s2， 且高速下的振动噪音小3. 可在恶劣环境下使用采用滚珠丝杠， 当有杂质进人或润滑不良时， 丝杠将不能正常工作， 严重时 将导致丝杠咬死，而行星滚柱丝杠中， 滚柱的滚动由其两端的轮齿驱动， 比较容 易保证滚柱能够正常运动。4. 拆卸方便行星滚柱丝杠在拆卸时， 可不将滚柱拆下， 就可将螺母从丝杠上整体卸下 ， 使用方便。方案二刑看就6.啦邂了 驾5.滾騒軒?策欢诙这是DDG-W系列电动缸的主要结构为：制动电机通过联轴器、过载保护装 置、减速齿轮箱与滚珠丝杆联结作旋转运动, 滚珠螺母与筒形推杆联结, 套在滚 珠丝杠之上, 由于滚珠丝杆的正反转动, 使得滚珠螺母和筒形推杆作直线往复运 动。该系列电动缸由于采用滚动螺旋付, 摩擦力小, 机械效率高, 节省电能, 相对 的说结构就显得小巧。由于滚动螺旋付不能自锁, 所以采用了制动电机, 以防止 停机时的逆转。制动电机是由电动机和电磁摩擦制动装置两部分构成。当电源接 通以后, 制动器的电磁吸力克服弹簧作用力, 使摩擦部分脱离, 于是电机便开始 转动。当电源切断, 电机旋转磁场和制动器的电磁吸力便同时消失。电磁铁在弹 簧力的作用下便产生摩擦制动力矩, 电机在 0.15s-0.5s 极短的时间内停止转动。 停止精度较高, 水平使用时, 一般为 15mm。方案分析方案中的电机选择的是制动电机。电机输出的转矩先经过载保护装置再输入 到减速箱中，过载保护能够在负载过重时保护电机减速箱等设备的安全。这个过 载保护装置结构简单，主要的原理是在负载过重时，通过弹簧把联轴器2分开， 起到过载保护的作用。在减速箱左边可以看到有一个手动转轴5，这个手动装置 是为在停电或者电机无法正常工作时而设计的，可以通过手动的方法使滚珠丝杠 继续工作。电位计的使用可以用于指示推杆的位置和控制推杆的动作，非常适用 于机械自动化领域。方案采用了滚珠丝杠的传动方式。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠、滚珠螺母和相关循环零件组成的以圆柱螺 旋线为运动轨迹的传动部件。用来将回转运动转化成直线运动（主要用途），或 将直线运动转化成回转运动（大导程）。广泛应用于数控机床、自动化设备、测 量仪器、印刷包装机械、纺织机械、制药机械、玻璃机械以及其他需要精密路径 定位的领域。作为滚动摩擦的传动部件，它具有如下 6 点特性：传动效率高滚珠丝杠副的传动效率高达90%98%，为滑动丝杠副的24倍， 能高效地将扭力转化为推力，或将推力转化为扭力。 传动灵敏平稳滚珠丝杠副 为点接触滚动摩擦，摩擦阻力小、灵敏度好、启动时无颤动、低速时无爬行，可 M级控制微量进给。定位精度高滚珠丝杠副传动过程中温升小、可预紧消除轴 向游隙和初级弹性形变、可对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，故可获得较高的定 位精度和重复定位精度。精度保持性好滚珠及滚道硬度达HRC5863,滚道形 状准确，滚动摩擦磨损极小，具有良好的精度保持性、可靠性和使用寿命。 传 动刚度高滚珠丝杠副内外滚道均为偏心转角双圆弧面、在滚道间隙极小的时也能 灵活传动。需要时加一定的预紧载荷则可消除轴向游隙和初级弹性形变以获得良 好的刚性（此时使用寿命有所减少）。同步性能好滚珠丝杠副因具有导程精度高、 灵敏度好的特点，在需要同步传动的场合，用几套相同导程的滚珠丝杠副可获得 良好的同步性能。方案三1234561g9 IP 1112图2-1总体传动示意图Fig.2-1 The sketch map of geiieial ha ns miss ion1伺服电机2减速器3安全离合器扭矩限制器）4制动器5同步带传动6手动输入端了承载接口 8滚动轴承9、10丝杠传动系统11缸体12防回转装置方案如图 2-1 所示，整机采用折返式结构形式，由伺服电机作为动力源经过减速器，安全离合保护器、制动器、同步带传动等将动力传递到丝杠传动系 统。减速装置采用行星齿轮减速器。同步带传动与丝杠传动系统相连接，实现将 回转运动转换成直线运动的功能。丝杠传动采用的是滚动丝杠的传动方式，方案 中设计了一种空心丝杠和滑动花键副相结合的二级丝杠传动结构，实现了二级电 动缸传动。丝杠传动原理123456789丄 * *. _- -Mg图2-2丝杠传动原理结构简图Fig.2-2 The diagram of screw di ive principle1推力（内）套筒2缸体3花键连接4空心丝杠5.空心丝杠螺母6.主丝杠7.夕卜（导向）套筒8主丝杠螺母9.防回转装置如图2-2所示，当主丝杠工作时，主丝杠副螺母作直线运动，同时，通 过滑动花键副，主丝杠带动空心丝杠转动，实现空心丝杠副螺母的直线运动。空 心丝杠一端相对于主丝杠副螺母可以做回转运动，但无相对轴线运动。外套筒与 主丝杠螺母副固连，推力套筒与空心丝杠副螺母固连，外套筒对推力套筒起导向 和径向支撑作用。推力套筒端部承受外界载荷，在推力套筒作轴向直线运动时， 推动载荷物体同步作轴向移动。方案四如图1 所示。步进电动机 1 通过联轴节2 带动螺杆 5 转动，与螺母 4 成为 一体的外筒6 便在螺杆的推动下作直线运图动。端板 10 将外筒与滑台 9 连在一 起，滑台便在外筒的推动下沿直线导轨 8 作直线运动。工件可安装在端板或滑 台上。在外筒内装有磁环3 在器体12 的侧沟内可安装磁性开关，这样便可检知 执行器的伸出行程。限位器 11 限制了执行器的最大行程。当滑台运行至行程端 部时，缓冲垫 7 起缓冲作用。在返回运动中，当传感器板 13 挡住微型光电传感 器 14 的光时，表示执行器已返回到原点。 15 是电动机盖。 方案在工程中的问题：行星滚柱丝杠工程问题由于行星滚柱丝杠具有以上几个特点, 故特别适用于高精度、高速度以及恶 劣条件下。但行星滚柱丝杠的零件数量多 , 结构复杂, 成本高, 因此选用时应慎 重 通常可从以下几个方面进行考虑(1). 载荷行星滚柱丝杠在实际使用中 , 很多情况下丝杠的速度及所承受的轴向载荷 都是变化的。为计算当量动载荷, 首先须计算出丝杠所受的平均载荷，当速度不 变时, 所受载荷也是固定不变的， 而当速度改变时, 载荷也随之而变。此时作用 在丝杠上的平均载荷可由下式计算F _ (F：n 山+ F轨2上2+ 吐J 了 (njti + n + + nntj T式中：Fm作用在丝杠上的平均载荷，N;nbn2 nn丝杠的转速，r/min;FbF2 Fn与转速mg 叫所对应的载荷，N;tbt2 ln与转速nbn2 %所对应的运转时间，%.若速度及载荷方向不变，而载荷大小在其最大值尸皿*及最小值之间变化，此时平 均载荷可由卜-式计算：Fm-从而可根据下式计算当量动载荷：Ca = Fra( )TCa当量动载荷，N;L丝杠的预期寿命，r.根据计算出的当量动载荷，就可以选取合适的丝杠。此外，还应进行静载荷计算.(2)驱动力矩丝杠加速时所需总的驱动力矩可由下式计算： 水平时TlT+Tr + P”鶉盏+让1 垂直时hT + T/P,益器+3 0 式中：Tr摩擦力矩，Nm;丁尹予紧力矩，N m;Ph-丝杠的导程，mm;F轴向载荷，N;mL质量* kg;“摩擦系数；g重力加速度；3 丝杠的角加速度，rad/s2;工I 一一转动惯量，kg I I = 5 +丄 xlO 9IM 电机的转动惯量，kg m2;IL 负载的转动惯量，IL = mL(- )210-6;乙 1米长丝杠的转动惯量，kg mn?/m;L丝杠的全长，mm;% 丝杠的平均效率。行星滚柱丝杠的效率取决干其工作条件.它在任何条件下都不会自锁，丝杠和螺母都可 以作为主动件.因此，其效率有正效率(将旋转运动变为直线运动)和逆效率(将直线运动 变为旋转运动)，其计算公式如下：正效率：订爲逆效率：T l-MCtgtp式中：甲螺旋角；U摩擦系数，由图3求出.(3)临界转速行星滚柱丝杠的临界转速由下式计算;ncr 490xl0f1d1L?式中：ncr临界转速，r/min;丝杠的大径，mm;Lo丝杠的支承距离，mm;支承系数a图3 摩擦系数除此之外，当丝杠选定后，还要进行常规的强度和刚度验算。(4) 丝杠的预紧-丝杠在工作中由于温升将引起轴向位移，通过预紧，使丝杠产生预拉伸，其拉伸量等于 或略大于热膨胀量。丝杠受热膨胀后，预拉伸应力会下降或消失，防止了热变形对接触刚度 的影响。(5) 丝杠的润滑为防止丝杠在工作中磨损及腐蚀，必须进行良好的润滑.进行润滑最主要的一点是确保 螺母沿丝杠移动时形成油膜。在行星滚柱丝杠中常用的润滑方法有脂润滑和油润滑.油润滑 的摩擦阻力小，同时可将摩擦热带走，是行星滚柱丝杠的主要润滑方法.但在某些场合(如 丝杠垂直使用)不宜采用油润滑时，应采用脂润滑。润滑剂的选择主要取决于工作时的温 度、载荷、转速等条件，重载条件下应在润滑剂中加入极压添加剂.此外，也可采用先进的 油气润滑方法.滚珠丝杠的程问题1、精密滚珠丝杠副丝杠滚道磨损异常滚珠丝杠副滚道的磨损会改变滚道的设计尺寸和形状，导致丝杠副性能 降低。在通常情况下，丝杠副的寿命是根据疲劳寿命理论设计的，丝杠和螺 母采用相同的材料和热处理工艺，硬度基本相同。虽然螺母滚道面的工作时 间比丝杠轴滚道面长，但是实践中却发现，丝杠轴的磨损明显大于螺母，致 使丝杠副的有效寿命大大缩短。图 1 为寿命试验后分解的丝杠副零件，图中 可见丝杠滚道的磨痕非常明显，而螺母滚道却无明显磨痕。陈建生等人曾研 究了滑动丝杠螺母副的磨损问题，在钢青铜配套的滑动丝杠螺母副中，螺 母的磨损较大，而常用的精密滚珠丝杠副却是丝杠轴滚道磨损更严重。这一 现象使人们感到非常困惑，目前尚未见到对这一现象的合理解释。2、滚珠丝杠副卡滞现象滚珠丝杠在装配或者使用过程中会经常出现卡滞现象。滚珠丝杠副的卡滞现 象与丝杠副卡死现象是不同的, 卡死后的滚珠丝杠副丝杠相对于螺母无法转动 , 滚珠丝杠副正、逆运动都无法进行, 无论以丝杠还是以螺母做主动件, 也无论其 驱动力矩有多大都不能使丝杠与螺母产生相对运动 ; 而卡滞后的滚珠丝杠副可 以工作, 但需要的驱动力矩为正常工作时的 5 10 倍, 有时甚至更大。这种需要 较大驱动力矩驱动的情况在很多时候只持续较短时间 , 当丝杠转过一定角度后 就自行消失而恢复成正常驱动力矩水平了。3、滚珠丝杠副中滚珠与导珠管的接触碰撞目前高速滚珠丝杠副的 dN 值一般在100 000 到150 000 之间. 当 dN 值达 到上述水平时, 高转速使滚珠在循环滚道中产生剧烈的往复冲击, 由此带来了一 般低速条件下未出现的问题 , 如滚珠循环系统的疲劳损坏, 热变形, 高振动和噪 声， 丝杠的滚珠循环反向装置是滚珠丝杠的薄弱环节 , 滚珠进入及离开反向装 置时运动状态都会发生彻底的变化, 当滚珠进入导珠管反向器时, 两者之间发生 碰撞, 使滚珠丝杠产生振动和噪声, 甚至会导致滚珠循环系统的疲劳失效。可行方案设计1、伺服电机 2、安全离合器 3、圆柱齿轮减速器 4、手动输入端 5、电位 计 6、主丝杆 7、滚珠螺母 8、筒形推杆方案分析：1、根据设计原则和技术要求选择电机的型号和参数，电机的额定功率为计算功 率的1.3-1.4倍。电动机的额定转速都比较高，假设选择 3000r/min 的电机，减速 器的传动比1=2,经过减速后主丝杆的转速为1500r/min,也就是25r/s，主丝杆 转动一圈滚珠螺母平行移动约20mm。每秒移动的距离约为500mm,这样的距离 是比较合适的。移动的距离与主丝杆的螺距有关。2、减速器的传动比为2,减速器的类型很多,有一般齿轮减速器、蜗杆减速器 蜗杆齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针减速器和谐波齿轮减速器等。根据设 计电动缸的技术要求和使用环境,有两种减速器是比减合适的,二级圆柱齿轮减 速器和单级行星齿轮减速器,因为二级圆柱齿轮减速器适用于传动比小于10的 传动中,也能承受非常大的扭矩和载荷。单级行星齿轮减速器的传动比范围是 2.8-12.5,但其制造精度要求高,结构复杂,承受的扭矩相对小一些。在要求结 构紧凑的动力传动中应用更加广泛,所以,这些选择了二圆柱齿轮减速器。3、电机输出的扭矩直接与安全联轴器相连,安全联轴器不但可以传动扭矩,在 负载超过设计值的时候还可以起到过载保护的作用。4、减速器减速后带动主丝杠转动,由于丝杠与轴承配套使用,不能轴向移动,只能带动滚珠螺母做往复的直线运动，滚珠螺母与筒形推杆是固定的，所以它能 推动推杆运动。最终达到了由电机的转动转化为推杆的往复直线运动。5、手动输入端是为电机在停电或者不能正常使用的情况下而设计的，通过手的 的方法也能使推杆发生移动。在带轮上安装了一个电位计，它能准确的测量推杆 的位置，并把位置信息显示出来，可以让使用者很好的控制电动缸。技术路线：14